JPS5928675Y2 - 高圧酸化装置のヒ−タ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は半導体装置の素子基板（ウニ・・）上に厚い酸
化膜を生成させる半導体酸化膜生成装置のヒータの改良
に関する。

筐ず従来の装置とその問題点を説明する。

高圧酸化装置は圧力容器内に反応管を設置し、その内部
に封入したシリコンウェハの表面に高圧（たとえば１０
気圧）水蒸気を注入しながら加熱酸化させてシリコン酸
化膜を厚く短時間に生成する装置である。

第１図は従来の高圧酸化炉の基本的な構成側図である。

この図にかいて１は圧力容器、２ハ外蓋、３はシリコン
ウェハ、４はボート（支持治具）、５は石英反応管、６
は加熱ヒータ、７Ｖｉ内蓋（キャンプと呼ばれる）、８
は差込棒（挿入棒）、９〜１１はガス注入口で、９７１
・らはＮ２ｍ１０力・らばＨ，１１７：ｌ−らは０２の
各ガスを注入する。

１２は反応管ガス排出口、１３は圧力容器ガス排出口で
ある。

いｔｌＬ１１７１１１−らＨ２および０２のガスを注入
するとヒータ６の加熱によって自然発火し、Ｈ２と０２
の燃焼反応が始り高圧の水蒸気を発生する。

従って反応管内の温度ばＨ２の自然発火温度より高いこ
とが必要である。

Ｈ２の自然発火温度以下では酸素（０２）雰囲気に水素
（Ｈ２）を注入しても燃焼反応は開始しない。

第２図は第１図の炉の欠点を取除くために提案された炉
の構造原理図で、加熱用補助ヒータ６ａを設けＨ２ガス
をここで自然発火させている。

この場合には補助ヒータ６ａを追加した分だけ圧力容器
と反応管とを長く作る必要がある。

し力・し補助ヒータは点火時のみに利用するので、効果
に対するコスト増の比率が高いことが欠点である。

第３図は１つのヒータをシリコン酸化膜生成用ヒータと
着火用補助ヒータの２種の役割をさせるもので、圧力容
器１の長さは第１図の炉の約２倍を必要とし、無駄な空
間が多く高価につくため実用的でない。

なおこの炉では高圧雰囲気の中でヒータ（電気炉）６を
着火のつと破線で示した着火位置に移動させろ必要があ
るが、この移動手段は複雑である。

たとえば給電用ケーブル、熱電対リード線等を高圧力下
で移動させる手段が必要である。

さらに石英反応管は長くなるので、１１００℃付近で稼
動させたときのたわみ、洗浄時の取扱い、消耗品である
の・らそのランニングコスト等を考慮すると不利である
。

本考案は上記従来の装置の欠点を除くために行ったもの
で、以下詳細に説明する。

第４図は本考案を実施した高圧酸化装置の基本的な構成
例図である。

高圧シリコン酸化膜を作る場合に（／′ｉ筐ず加熱用電
気炉（ヒータ）６による温度を酸化膜成長温度に合わせ
て設定し昇温して設定温度に安定させる。

このとき反応管５の中には０２ガス注入口１１刀・ら０
２を注入させ ドライ酸素の雰囲気にしておく。

さらに酸化膜成長温度がＮ２ガスの自然着火温度Ｔ。

よりも低い場合忙は補助ヒータ６ａの温度をＴｏより偉
力・に高い値に設定して安定させる。

次にシリコン基板３をボート４の上に一定間隔にて配列
したものを反応管５内の炉口側に置き内蓋γを閉じる。

この状態で反応管の内と外は隔離されて圧力容器１内の
雰囲気ガス（Ｎ２）Ｖ′ｉ反応管内のシリコン差板に触
れることはなくなる。

ここで外蓋２を閉じて圧力容器１を締切る。

排出口１２，１３には弁があるのでこれを閉じる。

この状態で注入口ＬＩＬ’：＋−らガスＮ２．０２を注
入しながら注入口１０力・らＮ２ガスを反応管に入れる
と、点火用補助ヒータ６ａの領域で着火してＮ２と０２
の燃焼が始芽り水蒸気を生成する。

着火確認後ヒータ６ａの電流ｉ４を断って加熱用ヒータ
６のみ動作させる。

９，１０゜１１力）ら入るガス差圧を制御しながら１０
〜２０分程で圧力容器および反応管内部の圧力は設定値
に達する力・らこの後Ｈ２と０２の量を最小限に減少さ
せる。

この理由は水素の完全燃焼で出ろ熱量（／′ｉ（飽和温
度以上に反応管内を維持している場合）公知のように水
素１モル（２２，４ｔ）が燃焼したときの発生熱量ばＨ
ｚ ＋ Ｈ０２＝Ｈ２０＋ ５７．８Ｖｍｆｌであろ刀
・ら、Ｉ ＳＬ／Ｍ（Ｓｔａｎｄａｒｄ １ｉｔｅｒ／
’ｔｉｎ ） ノＨ２ガスを流すと１時間で６０ＳＬ／
Ｉ（で約１５５に７の熱量が発生しこれば１８０Ｗの電
力に相当する。

この熱量は加熱用電気炉６の温度分布を均一にするため
ヒータのＴ３（第５図にて説明）の領域に投入する電力
の約５条に相当するので、炉の温度分布を均一に調整す
ることを妨げる場合がある刀・らである。

従ってＮ２ガスの注入量は少い程ヒータ６の温度制御に
有利となる。

Ｎ２．０２ の量を適当に調整後約１時間供給を保持す
るとシリコンウェハの表面に高純度の厚いＳｉＯ３の酸
化膜が生成される。

この間圧力容器１の内圧および反応管の内圧は徐々に上
昇するので、１２，１３の排出口先端にある弁を操作し
て圧力を調整し設定圧力に保つ。

刀・くして所定時間経過後Ｎ２注入口１０を閉じてＮ２
ガスを遮断し、またＮ２注入口９を閉じてＮ２ガスを遮
断し、続いて１２，１３の弁を開閉操作して石英反応管
の内外圧力の平衡を保ちつつ降圧する。

圧力容器内圧が大気圧に復帰後外蓋２をあけ、続いて内
蓋７をあげてウェハ３をのせたボート４を引出し一工程
が終了する。

第５図は本考案を実施した第４図中の電気炉（ヒータ）
の構成とその給電回路の一例図である。

加熱用電気炉はシリコン酸化膜を成長させるに必要な均
一温度領域を作るために、金属抵抗線（たとえば商品名
カンタルＡ−１線）６〜１０ｍｍψ程度のものをスパイ
ラルに成形して環状の発熱体とし反応管６の外壁を囲む
ように配置する。

（ただし第５図では便宜上一方の側のみに表わしてあ畳
。

この発熱体の巻始めに端子Ｈａ、巻終りに端子）Ｉｄを
それぞれ溶接し、さらに中間に端子Ｈｂ 、 Ｈｅ 。

Ｈｅをそれぞれ溶接してそれぞれの端子刀・ら給電する
。

Ｔ１（／ｉ電源変圧器で、その２次コイルＶ、 ｊＶ２
、Ｖ３ 、 Ｖ４ （ｔｉそれぞれサイリスタ５ＣＲ
１〜５ＣＲ４を通じて各ヒータに給電するための巻線で
ある。

シリコン酸化膜を成長させる領域／ｌ′ｉＨｂ。Ｈｅ間
の抵抗ｒ２にて表わしである部分で、端子Ｈａ −Ｈｂ
間の抵抗ｒ１、端子Ｈｅ −Ｈｄ間の抵抗ｒ３（／ｉｒ
２と同様環状に形成し普通ｒ２と同一の内径に作る。

その役目はＴ２の領域を均−湯度にするどきＪｚｒ３に
バイアス温度を作らせてこれを助けろことにある。

その動作は次のようである。まず加熱用電気炉の温度が
Ｎ２ガスの自然着火温度Ｔ。

より十分高い時はＮ２ガス注入口１０より入ったガス（
ｒｉｒ３の領域に到達すると自動的に着火する。

し力・し反対にＴ。より低い時は着火しないので、第２
図の６ａのような補助着火ヒータを設ける代りにここで
は端子ＨｃとＨｄＯ間に第５の端子Ｈｅを追加する。

またＴ３の中Ｈｅ−Ｈｄ間の巻線抵抗をＴ４としこの部
分は着火用補助ヒータとすることができる。

さて第５図力・ら明ら力・なヨウに各ヒータに供給する
電源は４つの独立したループになっている。

そしてコイルＶ１．Ｖ２゜ｖ３．Ｖ４はそれぞれ抵抗ｒ
ｘ ｊｒ２ ｙ Ｔ３ ｓ Ｔ４に電流１ ．１ ．１
、ｉ をそれぞれ流す。

サイリスタ５ＣＲＩ 、５ＣＲ２，５ＣＲ３’、５ＣＲ
４はそれぞれ１．ｔ１２ｙ１３，１４ を制御し各抵抗
に与えろ電力を制御する。

その制御はたとえば図示省略したが各ヒータ部分の温度
検出器出力により設デ温度を保つように行われる。

本考案の特徴は抵抗ｒ３の一部を抵抗ｒ４ に兼用さ
せたことにあり、Ｖ３コイルによるｒ３中 の電流ｉ
３とＶ４コイルによるｒ４中のｉ４の位相はｒ 中で和
ｉ３＋ｉ４となる力・らｒ４中に（ｉ３＋輸ｒ４のジュ
ール熱を発生するのでヒータ線の温度ばｒ の部分のみ
極部的に他より上昇する。

ｒ３中Ｏｒ を除＜ｒ −ｒ の部分には（ｒ３
ｒ４）ｉ３４ のジュール熱を発生するが、ｒ３３部は質的な抵抗をも
つ材料で作られ単位表面積当りの負荷はｒ の部分がｉ
：ｒ４に相当する分だけ 犬きぐ温度も上昇する。

第５図は反応管内の温度分布の一例図で、ヒータの位置
に対応させて示しである。

この図中の斜線部分が１４ｒ４ によって発生したジュ
ール熱で、ｒ２に対するＬの部分がシリコン酸化膜・を
酸化させる領域である。

反応管の右側力・ら流入した比。０２の混合カスは斜線
部の高温域で自動的に着火する。

一旦着火すればヒータの高温域は不要であるので着火を
確認後ｉ４をオフとし昇圧すれば約３０分で設定圧力を
到達する。

この昇圧中には圧力の変化に応じて温度分布も乱れるが
温度調節器の働きで昇圧完了時には温度分布も安定する
。

図中のＴｅ３ 、Ｔｅ３はヒータ電流１ 、ｌ を
最適値とするための温度調節器（図示せず）の入力信号
である。

以上の説明のように本考案はシリコン酸化膜を生成する
電気炉の１部を点火補助ヒータに共用するので次の利点
がある。

圧力容器の寸法を伸すことなく点火用補助ヒータを設け
ろことができる。

点火用補助ヒータに投入する電力は着火筐での僅かの電
力でよ〈熱処理帯域の温度分布を得るための電力に比べ
て僅小である。

このため従来の炉に比べて安価となり炉の取扱も容易で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は従来のシリコン酸化膜生成装置の構造
例図、第４図は本考案を実施した高圧酸化装置の基本的
な構成例図、第５図は第４図中のヒータとその給電回路
の→り図、第６図は反応管内の温度分布の一例図である
。 １・・・・・・圧力容器、２・・・・・・外蓋、３・・
・・・・基板、４・・・・・・支持台、５・・・・・・
反応管、６・・・・・・加熱用ヒータ、６ａ・・・・・
・点火用ヒータ、γ・・・・・・内蓋、８・・・・・・
挿入棒、９・・・・・・Ｎ２ガス注入口、１０・・・・
・・Ｎ２ガス注入口、１１・・・・・・０２ガス注入口
、１２・・・・・・反応ガス排出口、１３・・・・・・
圧力容器ガス排出口。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 圧力容器中の反応管外周に配設した酸化膜生成用ヒータ
   を反応管内に均一の所要温度分布の主領域を形成するた
   めの主ヒータ部と反応管に沿ってその両側に設は主領域
   に均一温度分布を形成させるためのバイアス湯度領域用
   ヒータ部のそれぞれの電源に接続された３部より形成す
   ると共に、反応管に注入される水素ガスの注入口に近い
   方のバイアス温度領域用ヒータの始端の一部を更に他の
   電源に接続し、水素ガス着火に必要な高温を反応管内に
   発生させる電流をバイアス温度領域用電流に重畳して流
   すようにしたことを特徴とする高圧酸化装置のヒータ。